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利用標準CMOS製程批量製造光微機電系統

上網時間: 2003年09月27日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:optical MEMS  CMOS processing  fibre-optic system  Grating Light Valve  光微機電系統 

在晶片製造中廣泛採用的生產技術如CMOS製程可以用來量產MEMS元件,這樣不用更新設備,材料也是標準的。但MEMS也有其特殊性,只有在設計過程中考慮CMOS製造特性才能充分實現CMOS製程帶來的好處。本文從MEMS結構出發介紹製造中可能出現的問題,並提出解決方案。

光通訊產業近來的持續低迷,給光纖系統供應商和子系統製造商帶來了越來越大的壓力,他們需要盡快確定技術與服務今後的發展方向,以最低的成本向電信廠商提供新一代網路。這些方向必須要考慮到複雜的動態光纖網路發展趨勢,它要求更高數據傳輸速率、更大頻譜密度,並廣泛導入動態重配置能力。

從發展趨勢來看,微機電系統(MEMS)已成為推動系統從固定配置轉變為動態配置最有希望的技術。由於其具有尺寸小、擴充性、強韌性和可靠性好等優點,系統整合商現在已開始採用光微機電系統在光纖網路中執行高級光交換。

事實上,MEMS技術由於本身的優點促使其在過去10年裡走出研究實驗室,在許多消費性產品中得到了大量的應用。早期應用集中於汽車和感應系統,主要的MEMS產品有加速度計和壓力感測器。而現在,基於MEMS的元件可望得到與半導體元件一樣廣泛的應用。圖1:光柵閥MEMS元件

隨著MEMS開始進入市場,半導體製造商也開始從MEMS製造中獲得額外一份收入。製造商們認識到,廣泛用於晶片製造的生產技術特別是CMOS製程可以用來大量產低成本MEMS元件,不過從事光微機電系統開發的公司發現,只有在設計過程中考慮到CMOS製造特性才能充分實現CMOS製程帶來的好處。

大量生產降低成本

CMOS製程最大的優點在於它採用的是標準材料和製程,這使半導體製造商能夠確保低成本和高產出率,這兩點對光微機電系統產品獲得成功是很關鍵的。因此,許多MEMS廠商都對他們的設計和加工製程進行了最佳化,確保能與CMOS製造方法相相容。

與CMOS製程相結合使光微機電系統製造商能夠充分利用標準化生產帶來的規模效益。首先,製造設備和材料肯定比定製生產要便宜得多,在某些場合,可以用現有製造設備來加工MEMS。其次,採用CMOS設計和材料會使MEMS產品具有更優異的性能和可靠性。

不過,用標準CMOS生產環境製造MEMS也會帶來一些特殊的製造挑戰。第一,與大部份半導體晶片相較,許多MEMS元件要用到更為複雜的材料與分層;第二,建構MEMS結構常常需要專門的製程,而這些製程不容易整合在半導體工廠裡。

由於這些原因,許多零組件廠商將自己的MEMS產品交給小量代工廠或大學的樣機實驗室進行加工。但是這些小量MEMS加工設備與大量產的CMOS製造工廠並不完全相容,而且由於批量小和缺乏製程控制,會導致產品在工作特性、關鍵尺寸、材料性質和元件良率等方面產生差異。

MEMS內部結構

要認識MEMS技術帶來的製造挑戰,首先必須了解MEMS元件的結構和工作原理。圖1是一個折射空間調節器,它可以改變雷射折射或反射的數量。Silicon Light Machines公司開發的這種可調光柵叫做光柵閥(Grating Light Valve),由懸在氣縫上的靜電驅動器陣列(又稱為‘絲帶’)組成。這些絲帶由表面鍍鋁的氮化矽製成,相互之間間隔只有幾分之一微米,這樣可以使插入損耗最小。表1:CMOS製造製程與MEMS製造製程材料應用比較。

加工這種微小的機械元件需要多層多晶矽作為釋放層,另外還要氮化矽作為活動元件及反射層和金屬連接部份(見表1)。所選擇的能滿足元件多種實體特性的材料決定了MEMS元件的可靠性、產量和成本。

有些元件需要普通標準CMOS製造所不用的生產材料,同時還要可能會影響元件產量和廢品率的專門處理和加工製程。這些特殊製程包括用金作為反射層,這與CMOS製造不能相容,因為它在矽中摻入了金,另外還有用於‘濕式釋放’製程的大量生產設備。

除了特殊材料之外,有些MEMS元件還需要定製加工製程,而它不太容易整合在半導體工廠裡(見表2)。這些特殊製程可用來提高元件的性能,但由於生產周期長、缺少製程自動化或者由於製程控制和材料特性差異而會影響產量,使得這些製程成本很高。

大多數MEMS元件在加工時採用多晶矽作為活動元件,使用一個或多個氧化物釋放層,用氮化矽作為隔離層,並用金屬作為反射器和內部連接。MEMS加工中一個特殊的難題是‘釋放’,在這個處理過程中,氧化矽犧牲層被溶解,由產生的空隙將元件中不同元件分開。

許多MEMS元件,包括靜電懸臂、偏轉鏡和扭轉調節器在內,都採用濕式化學製程溶解犧牲層進行釋放。該製程通常在單塊MEMS晶片而不是在整個晶圓上進行,此時由於靜摩擦的原因很容易引起良率下降。靜摩擦是指兩個相鄰表面黏合在一起,是因兩個微小結構之間液體乾化產生毛細作用力所引起,這種力使可變形微結構產生接觸。研究顯示,當表面偏離到接觸點時,範德華力會使憎水面產生靜摩擦。大部份MEMS元件都是採用氧化物犧牲層加工而成,通常用含水氫氟酸溶解氧化物犧牲層作為釋放方法。

另一種方法是採用無水氫氟酸釋放具有氧化物犧牲層的MEMS元件,但它仍需要水蒸氣來啟動釋放過程,而且無水氫氟酸製程也會產生腐蝕性殘留物,有可能破壞金屬層。

超級臨界CO2可用來乾化透過濕化學處理的已釋放MEMS元件,因而降低靜摩擦可能性。CO2製程的缺點是需要專門的設備,有一個額外的設備成本。更好的選擇是採用乾蝕刻製程,它在加工時無需進行濕化學處理,消除了釋放過程中產生靜摩擦的可能。Silicon Light表2:典型MEMS製程主要問題。 Machines公司開發出一種用於釋放光柵閥元件的專用晶片級蝕刻製程,與犧牲層材料蝕刻率相較,這種製程對氮化矽、氧化矽和鋁表現出特別優異的蝕刻選擇性。

靜摩擦的另一種形式是在執行或者有些情況下表現為融化,主要產生在MEMS靜電懸臂或梳形驅動的MEMS工作過程中,但也可能產生於偏轉鏡MEMS元件。在設計時盡量採用活動元件少的非接觸式靜電執行器,同時使其偏轉距離足夠小,防止與疲勞、磨損和靜摩擦相關的失效,這個問題也是可以克服的。

以CMOS為主

顯然,在標準CMOS環境中開發光微機電系統元件,其成本、產量和可靠性方面都具有顯著的優勢,另外CMOS加工也為光微機電系統元件供應商帶來了其它重要好處。

首先,使用標準技術生產出來的MEMS元件更容易整合在下一代光纖系統。CMOS製造也為光元件製造商提供大批量半導體生產所特有的嚴格製程控制,保證了所有設備和製程都能夠按規定進行過測試,而且每塊矽晶片在製造設備中的整個加工過程都受到連續監測,因而減少生產過程中的差異,提高元件的良率。

大量產的各種優勢雖然早已在半導體產業中體現出來,但在光元件領域,標準化生產仍然是一個相對新穎的概念。隨著光元件的生產技術不斷進步,它與矽加工方法的共通性將越來越普遍,使得光元件的成本不斷降低,並保持性能和可靠性。

不過,這個趨勢也給光微機電系統設計人員提出了一項挑戰,他們必須認識CMOS製程技術的要求和限制。每一種光元件都可以透過多種方式來實現,可製造性設計將成為影響光微機電系統成功的一個關鍵因素。

作者:Brent Lunceford


高級製程工程師


Silicon Light Machines公司




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